宇宙核素测年法的基本原理及应用

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1、宇 宙 核 素 测 年 法 的 基 本 原 理 及 应 用闫 成 国(中 国 地 震 局 地 壳 应 力 研 究 所 北 京 100085)摘 要 利 用 原 地 生 成 的 宇 宙 核 素 确 定 地 表 岩 石 的 暴 露 年 代 是 近 十 余 年 发 展 起 来 的新 型 测 年 方 法 。 本 文 简 述 了 该 测 年 方 法 的 基 本 原 理 、 测 年 的 范 围 及 精 度 , 测 年 样品 的 采 集 应 注 意 的 问 题 , 并 重 点 介 绍 了 该 测 年 方 法 在 地 学 中 的 应 用 , 其 中 包 括 : 在 冰 川 活 动 事 件 中 的 应 用 ;

2、在 地 貌 过 程 中 的 应 用 ; 在 火 山 活 动 中 的 应 用 ; 在 活 动 断 裂 中 的 应 用 ; 在 陨 石 撞 击 事 件 及 洪 水 泥 石 流 事 件 中 的 应 用 。一 、 引 言宇 宙 核 素 是 宇 宙 射 线 粒 子 与 地 表 大 气 或 岩 石 相 互 作 用 的 产 物 1 3 。 目 前 , 在 地 球 表 面的 岩 石 样 品 中 已 经 发 现 的 宇 宙 核 素 大 约 有 20多 种 , 如 3 He、 10 Be、 14 C、 21 Ne、 26 A l、 36 Cl等 2 。由 于 宇 宙 核 素 在 地 表 岩 石 中 的 积 累 与

3、 样 品 在 地 表 的 暴 露 时 间 有 关 , 因 此 人 们 一 直 希 望 它 们能 够 成 为 确 定 地 表 暴 露 年 代 的 有 效 工 具 1 5 。 但 由 于 岩 石 中 宇 宙 核 素 的 浓 度 极 低 , 当 时 的测 量 技 术 无 法 对 它 进 行 测 量 3 4 。 进 入 20世 纪 70年 代 以 后 , 随 着 加 速 器 质 谱 (AMS) 测量 技 术 的 发 展 , 测 量 地 表 岩 石 中 宇 宙 核 素 的 浓 度 已 经 成 为 现 实 , 从 而 为 确 定 地 表 岩 石 的 暴露 年 代 奠 定 了 基 础 3 5 。 传 统 的

4、 测 年 方 法 (如 14 C、 热 释 光 、 光 释 光 等 ) 只 能 测 定 地 貌 体堆 积 物 的 年 代 , 而 宇 宙 核 素 测 年 法 则 可 以 直 接 测 定 地 貌 面 的 形 成 年 代 5 6 。 这 必 将 促 进 地貌 学 的 发 展 。 通 过 宇 宙 核 素 的 浓 度 变 化 还 可 以 定 量 估 计 地 表 的 风 化 侵 蚀 速 率 , 测 量 冰 川 、火 山 、 陨 石 撞 击 及 泥 石 流 事 件 的 活 动 , 以 及 通 过 地 表 洪 积 扇 、 河 流 阶 地 的 测 年 获 得 活 动 断裂 的 断 错 年 代 。 目 前 对

5、宇 宙 核 素 的 研 究 与 应 用 正 方 兴 未 艾 , 成 为 地 球 科 学 中 的 热 点 。二 、 宇 宙 核 素 形 成 机 制宇 宙 射 线 粒 子 与 地 表 大 气 或 岩 石 矿 物 中 的 原 子 发 生 反 应 , 可 以 形 成 一 系 列 宇 宙 射 线 成因 同 位 素 , 又 称 宇 宙 成 因 核 素 , 或 宇 宙 核 素 1 3 。 在 大 气 中 产 生 的 宇 宙 核 素 能 够 迅 速 参 加到 地 表 的 地 球 化 学 循 环 中 , 进 行 迁 移 、 转 化 , 而 岩 石 表 面 产 生 的 宇 宙 核 素 则 具 有 原 地 特性 ,

6、 也 称 原 地 生 成 核 素 7 8 。 原 地 生 成 核 素 在 岩 石 样 品 中 的 积 累 与 样 品 在 地 表 的 暴 露 时 间有 关 。 本 文 讨 论 利 用 原 地 生 成 核 素 来 确 定 地 表 岩 石 暴 露 的 年 代 。初 始 的 宇 宙 射 线 粒 子 主 要 为 质 子 (p )、 氦 核 ( ) 和 一 些 较 高 原 子 序 数 的 重 核 , 如碳 (C)、 氮 (N)、 氧 (O )、 硅 ( Si) 铁 ( Fe) 等 9 。 初 始 宇 宙 射 线 粒 子 与 大 气 中 N、 O等 原 子 核 相 互 作 用 , 会 产 生 大 量 的

7、新 粒 子 , 如 中 子 ( n)、 光 子 ( ) 和 正 、 负 介 子( , 带 单 位 电 荷 而 无 质 量 的 粒 子 ) 等 , 称 为 次 生 宇 宙 射 线 粒 子 3, 9 。 次 生 宇 宙 射 线 粒 子382006年 地 壳 构 造 与 地 壳 应 力 文 集 (19)中 的 中 子 和 介 子 对 地 表 岩 石 中 宇 宙 核 素 的 原 地 生 成 反 应 起 着 重 要 作 用 。 这 些 反 应 主 要 包 括快 中 子 的 散 裂 反 应 、 热 中 子 的 捕 获 和 介 子 诱 发 的 核 衰 变 反 应 三 种 形 成 机 制 。 介 子 反 应又

8、 可 进 一 步 区 分 为 快 介 子 的 库 仑 力 作 用 和 负 介 子 捕 获 3, 4, 8 。 地 表 岩 石 中 的 10 Be和 26 A l就 主 要 是 由 中 子 分 别 与 16O和 28 Si发 生 散 裂 反 应 而 产 生 的 , 其 核 反 应 式 为 : 16 O + nv 10 Be +4p + 3n, 28 Si + 3nv 26 A l + p + 4n。 负 介 子 与 16 O、 28 Si原 子 核 相 互 作 用 也 可 产 生 10 Be和 26 A l,其 核 反 应 式 为 16 O + - v 10 Be + 3p + 3n, 28 S

9、i + - v 26 A l + 2n, 这 称 为 负 介 子 捕 获 , 负 介 子 与 物 质 的 相 互 作 用 不 如 快 中 子 的 散 裂 反 应 强 , 但 穿 透 深 度 比 中 子 大 70% , 因 而 负 介 子 对 宇 宙 核 素 生 成 量 的 贡 献 随 深 度 的 增 加 而 增 加 3 4 。三 、 确 定 地 表 岩 石 暴 露 年 代 及 侵 蚀 速 率 的 基 本 原 理11基 本 原 理利 用 宇 宙 核 素 确 定 地 表 岩 石 暴 露 年 代 的 基 本 原 理 是 假 定 到 达 该 地 表 岩 石 的 宇 宙 射 线 通量 是 个 常 数 ,

10、 即 不 随 时 间 变 化 , 地 表 岩 石 中 宇 宙 核 素 累 积 的 浓 度 与 岩 石 暴 露 的 时 间 相 关 ,在 假 定 侵 蚀 速 率 为 零 的 情 况 下 , 岩 石 中 宇 宙 核 素 的 增 量 是 其 产 生 的 增 量 与 衰 变 的 减 量 之差 3 5, 8 10 :dNdt = P - N (1)式 中 , N 为 样 品 中 宇 宙 核 素 的 浓 度 ( atom s/g) ;P为 宇 宙 核 素 的 产 生 率 atom s/ ( g a) ;t为 地 表 岩 石 的 暴 露 时 间 ( a) ; 为 放 射 性 宇 宙 核 素 的 衰 变 系

11、数 , 为 半 衰 期 的 倒 数 , 1 /Ma。解 方 程 (1) , 得N = P (1 - 1e t ) / (2)对 式 (2) 继 续 进 行 变 换 , 就 可 以 得 出 岩 石 在 地 表 的 暴 露 时 间 t的 表 达 式t = - ln (1 - N / P) / (3)由 式 (3) 可 见 , 只 要 知 道 了 样 品 中 宇 宙 核 素 的 浓 度 N 和 宇 宙 核 素 的 产 生 率 P , 就 可 以 求出 地 表 岩 石 的 暴 露 时 间 t。 浓 度 N 可 通 过 对 样 品 的 分 析 测 得 , 最 关 键 的 因 素 是 宇 宙 核 素 的产

12、 生 率 P , 它 受 多 种 因 素 影 响 。 关 于 其 影 响 因 素 将 在 后 文 介 绍 。21侵 蚀 速 率 与 暴 露 年 龄上 面 所 述 侵 蚀 为 零 的 假 定 是 一 个 理 想 的 模 型 , 自 然 界 中 暴 露 在 地 表 的 岩 石 不 遭 受 侵 蚀几 乎 是 不 可 能 的 。 当 地 表 岩 石 受 到 风 化 侵 蚀 时 , 所 采 集 的 岩 石 样 品 中 宇 宙 核 素 的 浓 度 就 会发 生 变 化 。在 风 化 侵 蚀 作 用 下 , 地 表 岩 石 中 宇 宙 核 素 的 浓 度 N的 表 达 式 3 5, 8 10 为 :N =

13、P 1 - e- ( + ) t / ( + ) (4)式 中 , 为 / 值 ( cm - 1 ) ; 为 岩 石 的 密 度 ( g/cm3 ) ; 为 宇 宙 射 线 在 岩 石 中 的 平 均 吸 收自 由 程 ( g/cm2 ) , 在 普 通 岩 石 中 约 为 150 170 g/cm2 (相 当 于 50 60 cm的 岩 石 深 度 ) ; 48 地 壳 构 造 与 地 壳 应 力 文 集 (19) 为 风 化 侵 蚀 速 率 ( cm /a)。从 式 (4) 可 以 看 出 在 测 得 样 品 中 核 素 的 浓 度 N 和 产 生 率 P之 后 , 只 有 t和 是 未

14、知数 , 知 道 了 其 中 的 任 何 一 个 , 就 可 以 根 据 式 (4) 求 出 另 一 个 。当 岩 石 长 期 暴 露 于 地 表 , 并 且 遭 受 稳 定 侵 蚀 (侵 蚀 速 率 为 常 数 ) , 即 t m 1 / ( + )时 , 式 (4) 即 变 为N = P / ( + ) (5)式 (5) 表 示 , 长 期 暴 露 于 地 表 的 岩 石 表 面 在 经 历 稳 定 侵 蚀 时 , 宇 宙 核 素 在 岩 石 表 面 的 浓度 将 达 到 一 个 动 态 平 衡 , 仅 取 决 于 产 生 率 P和 有 效 衰 变 常 数 ( + ) , 而 不 再 随

15、时 间增 加 。 此 时 , 宇 宙 核 素 浓 度 N与 产 生 率 P之 比 表 示 岩 石 表 面 达 到 平 衡 浓 度 时 所 需 要 的 最 小暴 露 时 间 , 在 此 称 为 有 效 暴 露 时 间 TSTS = N / P= 1 / ( + ) (6)很 显 然 , TS 并 不 是 地 表 岩 石 真 正 的 暴 露 时 间 , 必 须 被 定 义 为 有 效 暴 露 时 间 。 有 效 暴 露 时 间实 际 上 代 表 了 测 年 范 围 的 上 限 。 此 时 , 根 据 式 (6) 就 可 以 获 得 侵 蚀 速 率 = ( P /N - ) /= (1 / TS -

16、 ) / (7)四 、 宇 宙 核 素 产 生 率 的 影 响 因 素影 响 宇 宙 核 素 产 生 率 主 要 有 以 下 因 素 。11海 拔 高 度宇 宙 射 线 粒 子 在 穿 过 大 气 层 的 过 程 中 , 由 于 受 到 大 气 层 的 屏 蔽 , 使 到 达 地 表 的 宇 宙 射线 通 量 随 着 地 表 岩 石 所 处 的 海 拔 高 度 发 生 明 显 变 化 。 海 拔 高 度 越 高 , 宇 宙 射 线 粒 子 经 过 大气 层 的 路 径 就 越 短 , 大 气 层 对 射 线 粒 子 的 吸 收 就 越 少 , 宇 宙 核 素 的 产 生 率 也 就 越 高 。 因 此海 拔 高 度 越 高